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Metallguss ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metalle geschmolzen und in Formen gegossen werden, um spezifische Formen zu erzeugen. Es wird vor allem in der Fertigungsindustrie zur Herstellung verschiedenster Bauteile eingesetzt, findet jedoch auch in der bildenden Kunst, beispielsweise bei der Skulptur- und Schmuckherstellung, Anwendung. Im Jahr 2020 wurde der Markt für Eisen- und Stahlguss auf 145,97 Milliarden USD geschätzt. Es wird erwartet, dass der Markt von 2021 bis 2027 mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,4 % wächst.
Das Verfahren des Metallgusses reicht mehr als 7000 Jahre zurück. Im Laufe der Jahrhunderte wurde der Gussprozess stetig weiterentwickelt und verfeinert. Heute ermöglicht er die wiederholbare Herstellung hochkomplexer Formen, von denen manche auf anderem Wege kaum realisierbar wären.
Heutzutage werden Gussteile so breit eingesetzt, dass es kaum möglich ist, auf Gussprodukte zu verzichten – egal, in welchem Umfeld man sich befindet. Beispiele hierfür sind Motorblöcke, Hydranten, Motoren, Werkzeuge, Ampeln, Kanaldeckel, Rohrleitungen, Ventile und zahlreiche weitere Bauteile.
In diesem Artikel beleuchten wir den Metallguss-Prozess, um zu verstehen, was er ist, welche Arten es gibt und wie diese funktionieren.
Das Gussverfahren ermöglicht die Herstellung von Metallteilen mit gewünschten Formen, indem Metalle über ihre Schmelztemperatur erhitzt und anschließend als Flüssigmetall in Formen gegossen werden. Das geschmolzene Metall fließt in die Hohlräume der Form und nimmt deren Kontur an. Nach dem Abkühlen und Erstarren wird das Werkstück aus der Form entnommen und einer Nachbearbeitung unterzogen. In der Nachbearbeitung werden die Oberflächen veredelt und gegebenenfalls Schutzbeschichtungen aufgetragen.
Metallguss ist lediglich durch die Vorstellungskraft des Herstellers begrenzt. Es können extrem komplexe Formen erzeugt werden.
Gussverfahren werden insbesondere für komplexe Geometrien bevorzugt, da sie im Vergleich zu anderen Verfahren, wie etwa CNC-Bearbeitung, oftmals günstiger und einfacher umzusetzen sind. Aber auch für einfachere Geometrien ist das Gießverfahren aufgrund seiner schnellen Durchlaufzeit und hohen Produktionskapazität weit verbreitet.
Moderne Gießverfahren ermöglichen zudem die Herstellung von nahezu maßgenauen Teilen, wodurch der Bedarf an Entgraten und anderen Nachbearbeitungsschritten deutlich reduziert wird.
Die Popularität des Metallgussverfahrens ist seiner inhärenten Einfachheit geschuldet. Es bedurfte keiner modernen Maschinen oder komplexen Abläufe, um fertige Produkte herzustellen.
Deshalb konnten selbst antike Streitkräfte dieses Verfahren für die Herstellung von Waffen und Werkzeugen nutzen. Dennoch wurden im Laufe der Zeit zusätzliche Prozessschritte eingeführt, um die Qualität der Endprodukte weiter zu verbessern. Werfen wir einen Blick auf den typischen Metallgussprozess, wie er heute in der Industrie angewendet wird.
Die Herstellung der Form ist zweifelsohne der wichtigste Schritt im Gießprozess. Die Qualität der Form hat direkten Einfluss auf die Qualität des fertigen Produkts. Die Methoden der Formenherstellung variieren je nach Metallart, Geometrie des Bauteils, Produktionsvolumen und gewünschtem Oberflächenfinish. Nach Festlegung dieser Parameter werden geeignete Materialien und Verfahren ausgewählt.
Die Form wird als Negativabdruck des gewünschten Bauteils gefertigt. Sie besteht aus Materialien, die nicht nur den hohen Temperaturen des geschmolzenen Metalls standhalten, sondern sich nach dem Erstarren auch leicht vom Gussteil lösen lassen. Als Formmaterialien kommen unter anderem Sand, Gips, feuerfeste Schlicker und keramische Suspensionen zum Einsatz. Manche Formen sind Einwegformen, andere können mehrfach verwendet werden.
Das Gussmetall wird über seinen Schmelzpunkt erhitzt, um eine frei fließende Schmelze zu erhalten. Diese sollte so rein wie möglich von Verunreinigungen und Schlacke sein. In der Form können Vorrichtungen integriert werden, die das Eindringen von Schlacke ins Gussstück verhindern. Das flüssige Metall wird in einen Eingusstrichter an der Oberseite der Form gegossen. Von dort fließt das Metall durch den Anguss (vertikaler Kanal) und wird über Verteilerkanäle (horizontale Kanäle) und Eingüsse in die Formhohlräume geleitet.
Metalle mit niedriger Viskosität fließen leicht in die Form und ermöglichen filigrane Strukturen. Metalle mit hoher Viskosität zeigen einen weniger turbulenten Fluss und neigen weniger zu Fehlern wie Porosität. Erstarrungsgeschwindigkeit und Kräfte werden ebenfalls durch die Viskosität der Schmelze beeinflusst.
Bei Einwegformen wird die Form aufgebrochen, um das Gussteil zu entnehmen.
Bei Dauerformen gibt es verschiedene Öffnungsmechanismen, um an das fertige Gussstück zu gelangen. Die Form kann dann für weitere Gießvorgänge wiederverwendet werden.
Das entnommene Gussstück ist im Rohzustand meist nicht direkt verwendbar. Beim Gießen erstarrt das Metall auch in Angüssen, Speisern und Entlüftungen, die anschließend entfernt werden müssen. Oft ist auch eine Oberflächenbearbeitung erforderlich.
Das Bauteil wird nachfolgend gereinigt und – falls erforderlich – beschichtet.
Gussstücke können aus verschiedenen Metallen wie Aluminium, Zink, Stahl oder Eisen hergestellt werden. Jedes Metall besitzt spezifische Eigenschaften, die Anpassungen im Gießprozess erfordern, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Die Auswahl des Gießverfahrens hängt zudem von Parametern wie Legierungszusammensetzung, Bauteilgeometrie, Kosten, gewünschter Endqualität, Losgröße und Leistungsanforderungen ab.
Die Gießverfahren lassen sich grundsätzlich auf zwei Arten unterteilen: nach der Lebensdauer der Form (verlorene und dauerhafte Formen) sowie nach dem Prinzip der Metalleinbringung (Schwerkraft-, Druck- oder Vakuumguss). Dieser Artikel unterscheidet die Verfahren in verlorene und dauerhafte Formen.
Beim Gießen mit verlorener Form werden Formen verwendet, die nur einmal eingesetzt werden können. Dazu zählen Verfahren wie Sandguss, Schalenformguss und Feinguss. Zu beachten ist jedoch, dass einige Formen unter Umständen wiederaufbereitet werden können, sofern dies technisch möglich ist.
Werfen wir einen genaueren Blick auf einige Verfahren mit nicht wiederverwendbaren Formen:
Beim Sandguss dient Sand als Formmaterial. Sand ist preiswert, leicht verfügbar, formbar und hält hohen Temperaturen besser stand als viele andere Materialien. Feuchter Grünsand und trockener Sand sind besonders geeignete Materialien für diesen Prozess.
Eine Sandform im Negativ der gewünschten Bauteilgeometrie wird erstellt und das geschmolzene Metall hineingegossen. Nach dem Erstarren wird der Sand entfernt, um das Gussstück freizulegen.
Sandguss zählt zu den ältesten Gießverfahren und ist aufgrund seiner Einfachheit, Vielseitigkeit und Kosteneffizienz bis heute äußerst beliebt.
Mit Sandguss lassen sich Produkte von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern Größe herstellen. Das Gewicht der Gussstücke kann von 75 Gramm bis zu mehreren Tonnen reichen.
Der Sandguss bietet allerdings keine optimale Oberflächenqualität und eignet sich daher besonders für größere Bauteile, die nachträglich bearbeitet werden können.
Gipsformguss ist eine Variante des Sandgusses, bei der anstelle von Sand Gips als Formmaterial verwendet wird.
Der Schalenformguss ist eine Sonderform des Sandgusses, bei der das Metall in eine dünnwandige, harte Sandschale gegossen wird.
Zur Herstellung der Schale wird zunächst ein Modell des gewünschten Bauteils gefertigt. Dieses Modell wird erhitzt und in Sand mit einem duroplastischen Bindemittel eingetaucht. Der Sand nimmt die Form des Modells an und das Bindemittel härtet aus. Die Schale wird anschließend im Ofen weiter ausgehärtet. Ist die Schale fertig, wird sie in das Trägermaterial eingebracht und das geschmolzene Metall eingegossen. Nach dem Erstarren wird das Gussstück entnommen.
Schalenformguss bietet Vorteile wie geringeren Personalaufwand (bei Automatisierung), höhere Fertigungskapazität und verbesserte Maßhaltigkeit.
Allerdings ist dieses Verfahren etwas teurer als Sandguss, da das Bindemittel zusätzliche Kosten verursacht. Zudem können Materialfestigkeit und Porosität problematisch sein. Die Personalkosten steigen, wenn der Prozess nicht automatisiert ist.
Beim Feinguss, auch als Wachsausschmelzverfahren oder Präzisionsguss bekannt, wird Wachs genutzt, um präzise Gussteile herzustellen.
Der Prozess beginnt mit einem Wachsmodell, das durch Metalldruckformen erzeugt wird. Mehrere Wachsmodelle werden mit Angüssen, Verteilerkanälen und einem Hauptanguss (Sprue) zu einem Gießbaum zusammengesetzt, sodass mehrere Teile gleichzeitig gegossen werden können.
Der Wachsbaum wird in eine feuerfeste Schlicker getaucht, die die Kontur annimmt und aushärtet.
Anschließend wird das Wachs samt Schale erhitzt und ausgeschmolzen, wobei das Wachs zurückgewonnen werden kann.
Die zurückbleibende Schale dient als Gussform. Das geschmolzene Metall wird eingegossen und erstarrt zur gewünschten Bauteilgeometrie.
Feinguss liefert eine extrem hohe Präzision und eignet sich besonders für komplexe Bauteile wie Turboladerrotoren. Darüber hinaus bietet er eine sehr gute Oberflächenqualität.
Allerdings ist das Verfahren kostenintensiver als Sand- oder Schalenformguss und weist Einschränkungen hinsichtlich Größe und Tiefe von Bohrungen auf. Der Einsatz von Kernen gestaltet sich beim Feinguss schwierig.
Diese Gießverfahren nutzen Formen, die mehrfach eingesetzt werden können. Im Gegensatz zum Gießen mit verlorener Form ist keine neue Form für jedes Gussstück nötig. Dies ist besonders vorteilhaft für Bauteile, bei denen ein feines Oberflächenfinish, hohe Maßhaltigkeit oder komplexe Geometrien gefordert sind.
Zu den wichtigsten Verfahren mit dauerhaften Formen zählen:
Beim Druckguss werden Metalle in eine Metallform gegossen. Die Form besteht zumeist aus Nichteisenlegierungen wie Aluminium, Kupfer oder Zink, aber auch Eisenformen kommen zum Einsatz.
Metallformen sind in der Herstellung teuer, halten jedoch sehr lange. Daher eignet sich das Druckgussverfahren besonders für die Massenproduktion.
Druckguss ist im Vergleich zu anderen Gießverfahren besonders für kleine bis mittelgroße Teile geeignet, die eine hochwertige Oberfläche erfordern.
Man unterscheidet hauptsächlich zwischen Schwerkraft-Druckguss und Druckguss unter Druck. Beim Schwerkraftguss fließt das Metall durch die Schwerkraft in die Form. Kanäle und Hohlräume sind so gestaltet, dass das Metall auf natürliche Weise in alle Bereiche fließt.
Beim Druckguss unter Druck wird das geschmolzene Metall mit hohem Druck in die Form gepresst. Dieses Verfahren ermöglicht größere Gestaltungsfreiheit, ist jedoch kosten- und personalintensiver.
Komplexe Geometrien lassen sich besser im Druckguss unter Druck realisieren, während der Schwerkraftguss für einfachere Formen wirtschaftlicher ist.
Beim Schleuderguss wird die Zentrifugalkraft zum Gießen kreisförmiger Bauteile eingesetzt. Das Verfahren findet vor allem bei der Herstellung von Standardgussteilen wie Rohren Anwendung, nicht jedoch bei fertigen Endprodukten.
Durch die Nutzung von Schwerkraft und Druck lassen sich äußerst feine Strukturen und höchste Genauigkeit erzielen.
Das geschmolzene Metall wird in die Mitte der rotierenden Form eingebracht. Durch die Rotation wird das Metall nach außen gedrückt und bildet einen ringförmigen Querschnitt. Durch das sukzessive Einbringen verschiedener Materialien können beispielsweise mehrschichtige Rohre erzeugt werden, etwa Gussrohre mit einer inneren Zementauskleidung zum Korrosionsschutz.
Die Zentrifugalkraft ermöglicht es zudem, selbst zähflüssiges Metall in feinste Hohlräume zu drücken und komplexe Designs zu realisieren. Deshalb kommt das Verfahren auch bei der Schmuckherstellung zum Einsatz.
Die Gießmaschinen können horizontal oder vertikal angeordnet sein. Horizontale Maschinen eignen sich für lange Produkte wie Rohre, während vertikale Maschinen für kürzere Teile wie Lager genutzt werden.
Zu den Vorteilen des Schleudergusses zählen die Kernlosigkeit, hervorragende Kornstruktur und keine Einschränkungen bei Abmessungen wie Länge, Wandstärke oder Durchmesser.
Das Verfahren ist insbesondere für dünnwandige Zylinder eine ideale Alternative. Zu den Nachteilen zählen Formeinschränkungen, begrenzte Eignung für kleine Durchmesser und die Verarbeitung nur weniger Legierungen. Verunreinigungen sammeln sich im Zentrum und werden daher meist nachträglich entfernt.
Beim Strangguss, auch als Kontiguss oder Blockguss bezeichnet, wird ein kontinuierliches Gussprodukt mit gleichbleibendem Querschnitt erzeugt.
Geschmolzenes Metall wird aus einem Ofen vorsichtig in einen Zwischenbehälter (Tundish) gegossen und von dort in eine wassergekühlte Form mit gewünschtem Querschnitt geleitet. Die Kühlung beschleunigt das Erstarren des Metalls.
Während das Metall erstarrt, wird es kontinuierlich durch Walzen aus der Form gezogen, wo es weiter abgekühlt und auf Endmaß gebracht wird. Nach dem vollständigen Erstarren wird das Gussstück auf Standardlängen zugeschnitten.
Strangguss bietet eine hohe Fertigungsrate, gestiegene Präzision, weniger Ausschuss und eine verbesserte Kornstruktur.
Dafür sind hohe Anfangsinvestitionen nötig und es können innere Fehler sowie eine geringere Oberflächenqualität auftreten.
Metallguss ist ein vielseitiges und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung zuverlässiger Metallprodukte. Es bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren, deren jeweilige Vor- und Nachteile den Einsatz für bestimmte Anwendungen bestimmen.
Sandguss etwa eignet sich insbesondere für Einzelstücke mit komplexer Geometrie, während Druckguss bei hohen Stückzahlen und komplexen Bauteilen die bessere Wahl ist.
Die beim Guss eingesetzten Formen lassen sich in verlorene und dauerhafte Formen unterscheiden. Verlorene Formen werden nach jeder Verwendung zerstört (z. B. beim Sandguss), während dauerhafte Formen über einen längeren Zeitraum – von einigen Tagen bis hin zu mehreren Jahren – genutzt werden können.
Die Vielseitigkeit des Metallgusses macht ihn zu einer unverzichtbaren Technik in Branchen wie der Automobil- oder Luftfahrtindustrie, wo sie für die präzise und wiederholbare Fertigung komplexer Bauteile sorgt.
